JP6500628B2 - 炭化珪素半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
(1)本発明の一態様に係る炭化珪素半導体装置1は、炭化珪素基板10と、ゲート絶縁膜15とを備えている。炭化珪素基板10は、第1主面10aと、第1主面10aと反対側の第2主面10bとを有する。炭化珪素基板10は、第1導電型を有する第1不純物領域12と、第1不純物領域12上に設けられ、第1導電型と異なる第2導電型を有する第2不純物領域13と、第1不純物領域12から隔てられるように第2不純物領域13上に設けられ、第1主面10aを構成し、かつ第1導電型を有する第3不純物領域14とを含む。第1不純物領域12は、第1ドリフト領域12aと、第1ドリフト領域12aと第2不純物領域13とに挟まれた第2ドリフト領域12bとを有する。第2ドリフト領域12bにおける第1導電型不純物の濃度の最大値は、第1ドリフト領域12aにおける第1導電型不純物の濃度の最大値よりも大きい。第1主面10aには、第2ドリフト領域12bと、第2不純物領域13と、第3不純物領域14とを貫通し、かつ第1ドリフト領域12aに至る側部SWと、側部SWと連続して設けられた底部BTとにより規定されたトレンチTRが形成されている。ゲート絶縁膜15は、底部BTにおいて第1ドリフト領域12aと接し、かつ側部SWにおいて第2ドリフト領域12bと、第2不純物領域13と、第3不純物領域14とに接する。ゲート絶縁膜15は、底部BTに接する第3主面15b1と、第3主面15b1と反対側の第4主面15b2とを有する。第2不純物領域13と第2ドリフト領域12bと第1ドリフト領域12aとにより構成される領域において、第2主面10bに対して垂直な方向の位置をxとし、第1導電型不純物の濃度と第2導電型不純物の濃度との差の絶対値をyとしたとき、xとyとの関係を示すプロファイルは、第1極小値C3と、第1極小値C3よりも第1主面10a側に位置する第2極小値C4とを有する。第2主面10bに対して垂直な方向において、第1極小値C3を示す位置a1は、第3主面15b1の位置b1と第4主面15b2の位置b2との間にある。第2主面10bに対して垂直な方向において、第2極小値C4を示す位置a2は、第1主面10aの位置0と第4主面15b2の位置b2との間にある。
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。また、本明細書中の結晶学的記載においては、個別方位を[]、集合方位を<>、個別面を()、集合面を{}でそれぞれ示している。また結晶学上の指数が負であることは、通常、”−”(バー)を数字の上に付すことによって表現されるが、本明細書中では数字の前に負の符号を付している。
図4に示されるように、炭化珪素基板10は、電界緩和領域17を含んでいてもよい。電界緩和領域17は、たとえばアルミニウムなどのp型不純物を含んでおり、p型の導電型を有する。電界緩和領域17が含むp型不純物の濃度の最大値は、たとえば7×1017cm−3である。電界緩和領域17は、ボディ領域13と対面していてもよい。電界緩和領域17は、たとえば第1ドリフト領域12aに接している。好ましくは、電界緩和領域17は、第2主面10bに対して垂直な方向において、位置b1と位置eとの間に位置している。電界緩和領域17は、ボディ領域13に接続されていてもよいし、ボディ領域13から離間していてもよい。
上述した側部SWは、特にボディ領域13上の部分において、特殊面を有する。特殊面を有する側部SWは、図5に示すように、面方位{0−33−8}を有する面S1(第1の面)を含む。言い換えれば、トレンチTRの側部SW上においてボディ領域13には、面S1を含む表面が設けられている。面S1は好ましくは面方位(0−33−8)を有する。
一般に、ポリタイプ4Hの炭化珪素単結晶を(000−1)面から見ると、図6に示すように、Si原子(またはC原子)は、A層の原子(図中の実線)と、この下に位置するB層の原子(図中の破線)と、この下に位置するC層の原子(図中の一点鎖線)と、この下に位置するB層の原子(図示せず)とが繰り返し設けられている。つまり4つの層ABCBを1周期としてABCBABCBABCB・・・のような周期的な積層構造が設けられている。
まず、炭化珪素基板を準備する工程(S10:図13)が実施される。図14に示されるように、炭化珪素基板を準備する工程は、第1ドリフト領域をエピタキシャル成長する工程(S11:図14)と、第2ドリフト領域をエピタキシャル成長する工程(S12:図14)と、イオン注入工程(S13:図14)とを主に有している。第1ドリフト領域をエピタキシャル成長する工程(S11:図14)は、たとえば炭素および珪素を含むガスを用いて行われる。具体的には、たとえば原料ガスとしてシラン(SiH4)とプロパン(C3H8)との混合ガスを用い、キャリアガスとしてたとえば水素ガス(H2)を用いたCVD(Chemical Vapor Deposition)法により、炭化珪素単結晶基板11上に第1ドリフト領域12aが形成される。エピタキシャル成長の際、不純物として、たとえば窒素(N)またはリン(P)などが導入される。
図29に示されるように、第1主面10aにトレンチTRが形成された後、トレンチTRを完全に埋めるように、珪素層4が第1主面10a上に形成されてもよい。底部BT上の珪素層4の部分の厚みは、トレンチTRの深さH1(図1参照)よりも大きい。珪素層4は、第1主面10aにおいてソース領域14およびコンタクト領域18に接する。珪素層4は、側部SWにおいて、ソース領域14とボディ領域13と第2ドリフト領域12bと第1ドリフト領域12aとに接する。珪素層4は、底部BTにおいて、第1ドリフト領域12aに接する。
実施の形態に係るMOSFET1によれば、第2主面10bに対して垂直な方向において、第2極小値C4を示す位置a2は、第1主面10aの位置0と第4主面15b2の位置b2との間にある。第2極小値C4を示す位置a2は、ボディ領域13の底部の位置a2に対応する。つまり、ボディ領域13の底部の位置a2が、第1主面10aの位置0と第4主面15b2の位置b2との間にある。そのため、ボディ領域13内におけるチャネル領域上のゲート絶縁膜15の厚みが大きくなることを抑制することができる。従って、ボディ領域13の底部の位置a2が、第3主面15b1の位置b1と第4主面15b2の位置b2との間にある場合と比較して、MOSFET1のオン抵抗を低減することができる。
3,5 マスク層
4 珪素層
4a 第1珪素層部
4b 第2珪素層部(一部)
10 炭化珪素基板
10a 第1主面
10b 第2主面
11 炭化珪素単結晶基板
11a 境界面
12 第1不純物領域(ドリフト領域)
12a 第1ドリフト領域
12b 第2ドリフト領域
13 第2不純物領域(ボディ領域)
14 第3不純物領域(ソース領域)
15 ゲート絶縁膜
15a 第1部分
15b1 第3主面
15b2 第4主面
15b 第2部分
16 ソース電極
17 電界緩和領域
18 コンタクト領域
19 ソース配線
20 ドレイン電極
22 層間絶縁膜
24 炭化珪素エピタキシャル層
27 ゲート電極
BT 底部
CD チャネル方向
H1 距離(深さ)
H2,tb,ts 厚み
S1,S2,S3 面
SQ,SR 複合面
SW 側部
TR トレンチ
Claims (13)
- 第1主面と、前記第1主面と反対側の第2主面とを有する炭化珪素基板を備え、
前記炭化珪素基板は、第1導電型を有する第1不純物領域と、
前記第1不純物領域上に設けられ、前記第1導電型と異なる第2導電型を有する第2不純物領域と、
前記第1不純物領域から隔てられるように前記第2不純物領域上に設けられ、前記第1主面を構成し、かつ前記第1導電型を有する第3不純物領域とを含み、
前記第1不純物領域は、第1ドリフト領域と、前記第1ドリフト領域と前記第2不純物領域とに挟まれた第2ドリフト領域とを有し、
前記第2ドリフト領域における第1導電型不純物の濃度の最大値は、前記第1ドリフト領域における前記第1導電型不純物の濃度の最大値よりも大きく、
前記第1主面には、前記第2ドリフト領域と、前記第2不純物領域と、前記第3不純物領域とを貫通し、かつ前記第1ドリフト領域に至る側部と、前記側部と連続して設けられた底部とにより規定されたトレンチが形成されており、さらに、
前記底部において前記第1ドリフト領域と接し、かつ前記側部において前記第2ドリフト領域と、前記第2不純物領域と、前記第3不純物領域とに接するゲート絶縁膜とを備え、
前記ゲート絶縁膜は、前記底部に接する第3主面と、前記第3主面と反対側の第4主面とを有し、
前記第2不純物領域と前記第2ドリフト領域と前記第1ドリフト領域とにより構成される領域において、前記第2主面に対して垂直な方向の位置をxとし、前記第1導電型不純物の濃度と第2導電型不純物の濃度との差の絶対値をyとしたとき、xとyとの関係を示すプロファイルは、第1極小値と、前記第1極小値よりも前記第1主面側に位置する第2極小値とを有し、
前記第2主面に対して垂直な方向において、前記第1極小値を示す位置は、前記第3主面の位置と前記第4主面の位置との間にあり、
前記第2主面に対して垂直な方向において、前記第2極小値を示す位置は、前記第1主面の位置と前記第4主面の位置との間にあり、
前記炭化珪素基板は、前記第1ドリフト領域に接し、かつ前記第2導電型を有する電界緩和領域を有する、炭化珪素半導体装置。 - 前記ゲート絶縁膜は、前記側部において前記第2不純物領域に接する第1部分と、前記底部において前記第1ドリフト領域に接する第2部分とを含み、
前記底部に対して垂直な方向における前記第2部分の厚みは、前記側部に対して垂直な方向における前記第1部分の厚みよりも大きい、請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記第2部分の厚みを前記第1部分の厚みで除した値は、1.5以上8以下である、請求項2に記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記第2主面に対して垂直な方向における前記第1主面と前記底部との間の距離は、1μm以上1.5μm以下である、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記第2主面に対して垂直な方向における前記第2不純物領域の厚みは、0.4μm以上0.8μm以下である、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記第2ドリフト領域の前記第1導電型不純物の濃度の最大値を前記第1ドリフト領域の前記第1導電型不純物の濃度の最大値で除した値は、5以上10以下である、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記第2不純物領域の前記第2導電型不純物の濃度の最大値を前記第2ドリフト領域の前記第1導電型不純物の濃度の最大値で除した値は、10以上100以下である、請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記側部は、面方位{0−33−8}を有する面を含む、請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。
- 第1主面と、前記第1主面と反対側の第2主面とを有する炭化珪素基板を準備する工程を備え、
前記炭化珪素基板は、第1導電型を有する第1不純物領域と、
前記第1不純物領域上に設けられ、前記第1導電型と異なる第2導電型を有する第2不純物領域と、
前記第1不純物領域から隔てられるように前記第2不純物領域上に設けられ、前記第1主面を構成し、かつ前記第1導電型を有する第3不純物領域とを含み、
前記第1不純物領域は、第1ドリフト領域と、前記第1ドリフト領域と前記第2不純物領域とに挟まれた第2ドリフト領域とを有し、
前記第2ドリフト領域における第1導電型不純物の濃度の最大値は、前記第1ドリフト領域における前記第1導電型不純物の濃度の最大値よりも大きく、
前記第1ドリフト領域および前記第2ドリフト領域は、エピタキシャル成長により形成され、
前記第2不純物領域は、前記第2ドリフト領域に対してイオン注入が行われることにより形成され、さらに、
前記第1主面に、前記第2ドリフト領域と、前記第2不純物領域と、前記第3不純物領域とを貫通し、かつ前記第1ドリフト領域に至る側部と、前記側部と連続して設けられた底部とにより規定されるトレンチを形成する工程と、
前記底部において前記第1ドリフト領域と接し、かつ前記側部において前記第2ドリフト領域と、前記第2不純物領域と、前記第3不純物領域とに接するゲート絶縁膜を形成する工程とを備え、
前記ゲート絶縁膜は、前記底部に接する第3主面と、前記第3主面と反対側の第4主面とを有し、
前記第2不純物領域と前記第2ドリフト領域と前記第1ドリフト領域とにより構成される領域において、前記第2主面に対して垂直な方向の位置をxとし、前記第1導電型不純物の濃度と第2導電型不純物の濃度との差の絶対値をyとしたとき、xとyとの関係を示すプロファイルは、第1極小値と、前記第1極小値よりも前記第1主面側に位置する第2極小値とを有し、
前記第2主面に対して垂直な方向において、前記第1極小値を示す位置は、前記第3主面の位置と前記第4主面の位置との間にあり、
前記第2主面に対して垂直な方向において、前記第2極小値を示す位置は、前記第1主面の位置と前記第4主面の位置との間にある、炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 前記ゲート絶縁膜を形成する工程は、
前記側部および前記底部に接する珪素層を形成する工程と、
前記底部に対面する前記珪素層の部分上にマスク層を形成する工程と、
前記マスク層を用いて前記珪素層の一部を除去する工程と、
前記マスク層を除去する工程と、
前記マスク層を除去する工程後、前記底部上に前記珪素層の一部が残された状態で、前記炭化珪素基板を熱酸化する工程とを含む、請求項9に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 前記トレンチを形成する工程は、熱エッチングにより行われる、請求項9または請求項10に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
- 前記第1ドリフト領域を形成する工程および前記第2ドリフト領域を形成する工程は、炭素および珪素を含むガスを用いて行われ、
前記第2ドリフト領域を形成する工程における前記珪素の原子数を前記炭素の原子数で除した値は、前記第1ドリフト領域を形成する工程における前記珪素の原子数を前記炭素の原子数で除した値よりも大きい、請求項9〜請求項11のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 前記第1主面は、炭素面側であり、前記第2主面は、珪素面側である、請求項9〜請求項12のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
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